В России очень короткое лето, и окончание очередного отопительного сезона всегда остро ставит проблемы ремонта, модернизации и обновления котельного оборудования. Топливо дорожает с каждым годом, поэтому при проектировании и комплектации котельной энергосберегающие аспекты, неразрывно связанные с параметрами энергоэффективности базового оборудования, приобретают все большее значение. КПД – ничто, ТЗ – все?
Фундаментальный показатель энергоэффективности – коэффициент полезного действия (КПД). Чем ниже КПД котлоагрегата, тем больше необходимо сжечь топлива для обогрева одной единицы полезного объема (площади). При этом КПД никогда не может быть больше 100 %, так как неизбежны потери тепла: с уходящими газами, от химического и механического недожога топлива, потери в окружающую среду. Применяя различные технологии, материалы, оборудование производители котлов научились снижать теплопотери, добившись впечатляющих результатов увеличения КПД, то есть увеличения базового показателя энергоэффективности установок. Например, своеобразный «стандарт» современных газовых котлов – КПД, равный 92 %. В некоторых моделях и сериях оборудования этого типа коэффициент полезного действия (заявленный производителем) достигает 94 % и даже 96 %.
Не вся полезная теплота, выработанная котельным агрегатом, направляется потребителям, часть расходуется на собственные нужды. С учетом этого различают еще КПД котла по выработанной (КПД-брутто) и по отпущенной (КПД-нетто) теплоте. По разности выработанной и отпущенной теплоты определяется расход на собственные нужды, а это не только теплота, но и электрическая энергия (например, на привод дымососа, вентилятора, питательных насосов, механизмов топливоподачи), т.е. расход на собственные нужды включает в себя расход всех видов энергии, затраченных на производство пара или горячей воды. В итоге КПД-брутто отопительного котла характеризует степень его технического совершенства, а КПД-нетто – экономичность. Понятно, что энергоэффектвиный котел должен обладать высокими параметрами и КПД-брутто и КПД-нетто.
«Все котельные установки проектируются с запасом по мощности от 20 до 30 %, большую часть времени котел работает в режиме 60-70 % от полной загрузки», ¬– говорит Андрей Варваркин, региональный директор по продаже промышленного оборудования ООО «Виссман» (г. Екатеринбург). – Энергоэффективность оборудования во многом зависит даже не от проектирования, а от грамотного и глубоко проработанного технического задания. Когда сделан хороший анализ, или даже энергоаудит системы, тогда проект и котельная будут на ту мощность, которая реально нужна заказчику».
«Необходима предпроектная работа, разработка схемы теплоснабжения, решающая проблему рациональной подачи тепла. Чтобы добиться энергосберегающего эффекта необходимо, но недостаточно иметь только энергоэффективное оборудование», – считает генеральный директор ООО ТД «Бустер бойлер-Урал» Алексей Яблонских (г. Екатеринбург).
Их нравы…
В СССР на долгое время отказались от жаротрубных и дымогарных котлов, делая ставку на использование водотрубных конструкций. При монтаже такие котлы обмуровывали кирпичом или наносили защитное покрытие слоем жаростойкой изоляции.
В Европе преобладал другой подход. Сохраняя производство водотрубных котлов, компании параллельно развивали выпуск компактных энергоэффективных установок высокой заводской готовности. Газоплотные котлы с одной (или двумя) автоматизированными блочными горелками имели заводскую теплоизоляцию и не требовали установки высокозатратных дымососов и регулирования разрежения в топке.
С началом рыночных преобразований западные компании начали активно продвигать в России жаротрубные котлы на дизельном и газовом топливе. Среди большого числа иностранных марок этого оборудования наиболее известны немецкие – Viessman, Buderus, Loos.
В «линейке» Viessman преобладают трехходовые котлы (рис.1). Пламя топки обогревает первый газоход – цилиндрическую камеру сгорания, жаровую трубу первого хода, после чего продукты сгорания, возникающие в процессе работы горелки, через патрубок в конце топки поступают в жаровые трубы второго газохода котлового блока и по ним – в переднюю часть котла. После этого направление вновь меняется на 180, и по дымогарным трубам третьего хода газы движутся к камере сбора продуктов сгорания. Для интенсификации теплообмена и защиты последних ходов от конденсации Viessman применяет патентованную технологию изготовления многослойных труб – Duplex.
«Серия водогрейных котлов Vitomax вобрала передовые технические решения мирового котлостроения, – рассказывает Андрей Варваркин. – Учтено все: водоохлаждаемая передняя и задняя стенка, охлаждаемая горелочная труба, возможность обслуживания трубных решеток без демонтажа горелки, защита от попадания холодной воды на трубу, широкое пространство между трубами, исключающее массированное шламооотложение. Большее водонаполнение обеспечивает больший объем горячей воды и меньшее количество стартов автоматизированной горелки, т. е. снижаются расходы газа и эксплуатационные расходы на горелочное устройство. Максимальный КПД серии – 94,5 %».
Рис. 1. Водогрейный котел Viessman Vitomax-300LT.
Жаротрубные котлы доминируют в сегменте иностранной продукции современного российского рынка. Но есть и альтернативные технологии. Например, пароводогрейные вакуум-котлы южнокорейской компании Booster Boiler (рис. 2).
«Энергосбережение – отличительная особенность конструкции котла состоящего из двух камер: нижней (топки) и верхней камеры с теплообменниками, – рассказывает Алексей Яблонских, генеральный директор ООО ТД «Бустер бойлер-Урал». – Топочная камера прямоугольного сечения выполнена из двух рядов труб, заполненных водой, нагреваемая топочными газами; верхний уровень воды является плоскостью испарения, с которой пар, поднимаясь вверх, омывает трубы теплообменников и конденсируется, нагревая циркулирующую в них воду; конденсат стекает в водный объем камеры и смешивается в замкнутом внутреннем контуре циркуляции воды. Эффективный теплообмен при конденсации пара сокращает в несколько раз поверхность теплообменников. В свою очередь это дает очень малое сопротивление при движении сетевой воды, резко сокращая затраты на электроэнергию при перекачке. Так, для котла мощностью 3 Гкал\ч потеря напора составляет всего 4 м.вод.ст. Вакуумная среда – лучший изолятор. За счет этого теплообмен в производстве горячей воды происходит практически без потерь. Продолжительность пуска из холодного состояния не более 6 мин, КПД – 95 %».
Рис. 2. Пароводогрейный вакуум-котел Booster Boiler.
И наш ответ…
Как уже говорилось, у России долгое время был свой – «особый» – путь развития котлостроения, но сейчас жаротрубные конструкции выпускает целый ряд предприятий: «Бийскэнергомаш», Белгородский завод энергетического машиностроения, «Дорогобужкотломаш», «Уралкотломаш» и некоторые другие. Параллельно развивается, совершенствуясь, и «традиционное» – водотрубное котлостроение.
Все поверхности нагрева газовых котлов КВ-Г (компания «ЭНКО») выполнены из стальных гладких и оребренных труб в виде одного цельного блока (рис. 3). Конструкция обеспечивает прохождение сетевой воды одним потоком последовательно сначала через трубы развитых топочных экранов, где она нагревается на 50 % от всего теплосъема котла, затем через конвективную часть попутно с движением дымовых газов. Так обеспечивается наиболее высокая температура воды в месте самой низкой температуры дымовых газов на выходе из котла; исключается образование конденсата и низкотемпературная коррозия. Котел может использоваться без рециркуляционных насосов, что снижает капитальные и эксплуатационные затраты. КПД – в пределах 93-96 %, в зависимости от температуры воды и нагрузки.
Рис. 3. Водогрейный водотрубный котел КВ-Г.
В России по-прежнему велика доля котельных, работающих на твердом топливе. При том, что КПД такого оборудования ниже, чем газового, дешевизна и доступность угля делает его использование экономически целесообразным. В свою очередь производители совершенствуют технологии сжигания.
Барнаульский завод котельного оборудования производит водогрейные котлы серии КВЦ (3,15 и 4,0 МВт, КПД – 83 %) на базе технологии «кипящий слой» (рис. 4). По словам Алексея Болотова, ведущего инженера-конструктора отдела по подготовке и диспетчированию производства ООО «НПО «БЗКО», технология сжигания топлива в низкотемпературном «кипящем» слое (НТКС) позволяет снизить выбросы токсичных газов и повысить экономические показатели. В топке размещена воздухораспределительная решетка с расположенной на ней массой гранулированного материала (песок, шлак, зола и т.п.), через которую снизу вверх продувается воздух. Массовая доля топлива в «кипящем» слое – 1-3 %. Это позволяет выводить золу из любой точки слоя с минимальными потерями от механического недожога. Возможно сжигание топлива с зольностью до 90 %, работа при низких нагрузках (30-50 %) без подсветки жидким топливом.
Рис. 4. Водогрейный котел КВЦ.
Коэффициент эффективности системы
КПД отопительного котла – важнейший показатель энергоэффективности, но эта величина не является определяющей при оценке эффективности работы отопительной системы в целом.
Российские нормативные документы, определяющие технические требования к котлам (ГОСТ 20219-74, ГОСТ 11032-80, ГОСТ 10617-83), предписывают рассчитывать тепловую нагрузку газовых котлов по формуле:
N = В*QH, ккал/ч, где В - часовой расход газа, куб.м/час, QH - низшая теплота сгорания газа, приведенная к нормальным условиям, ккал/куб.м.
В отличие от российских, в стандартах США на газовые котлы (при расчете нагрузки) применяется высшая теплота сгорания, которая в 1,11 раза превышает QH для природного газа и на 6% – для легкого жидкого топлива. В результате величина тепловой нагрузки, рассчитанная по высшей теплоте сгорания природного газа, на 11 % больше, чем принятая по российским нормам (высшая и низшая теплота отличаются на величину скрытой теплоты парообразования, т.е. на количество теплоты, выделяющейся при полной конденсации водяных паров, образующихся при горении газа). Так как величина КПД – функция тепловой нагрузки (и, соответственно, теплоты сгорания газа), то величины КПД, рассчитанные в соответствии со стандартом США, на 11 % ниже российских. Величина КПД, рассчитанная по высшей теплоте для любых котлов, никогда не бывает более 100 %, в то время как КПД котлов конденсационного типа, рассчитанные по низшей теплоте (применяющейся в России, странах СНГ и многих странах Европы), превышает 100 %.
В США величине КПД котла не придают столь решающего значения, как в России и странах СНГ. Это связано с тем, что величина КПД является характеристикой котла только в режиме непрерывной работы (при номинальной производительности). Такой режим применяется на испытательных стендах при определении фактических параметров котлов, либо в непрерывном производственном цикле с постоянной нагрузкой, но такой режим для отопительных систем невозможен. Это связано с переменной тепловой нагрузкой на котлы в течение годового цикла эксплуатации системы.
Именно поэтому, в соответствии с рекомендациями Минэнерго и Национального Бюро по Стандартам США, в инженерных расчетах принято рассматривать не величину КПД котлов, а коэффициент эффективности системы.
Наименее энергоэффективный режим работы котлов (вне зависимости от теоретической величины его КПД) имеет место в переходные периоды отопительного сезона.
Примерное сезонное потребление топлива = Суммарные теплопотребления здания за сезон/
показатель AFUE {десятичный)
Министерство энергетики США ввело в действие стандарт для оценки сезонного энергопотребления отопительных устройств. Установленный этим стандартом показатель AFUE (Annual Fuel Utilization Efficiency – годовая эффективность использования топлива) в настоящее время применяется в США для оценки работы системы в целом.
Величина AFUE выражается, как и КПД, в процентах, но – в отличие от величины КПД – она учитывает влияние многочисленных переходных периодов на протяжении всего отопительного сезона (т.е. всех периодов времени, когда котел работает в режиме неноминальной нагрузки).
Таким образом, показатель AFUE используется для оценки реальных стоимостных затрат отопительного сезона.
Для примера: данные о снижении эффективности работы системы при переходных нагрузках. (По замерам на системе отопления здания в г. Сиракузы, штат Нью-Йорк):
Соотношение:
Источник: Константин Литвиненко, Energyland.info
В статье использованы материалы http://www.laarshs.ru
